Volumen geométrico de desplazamiento

El volumen de desplazamiento geométrico describe el volumen de líquido hidráulico que una bomba de desplazamiento o un motor hidráulico bombea o aspira teóricamente por cada vuelta, basándose en las dimensiones de diseño de las cámaras de desplazamiento. Se trata de un parámetro determinado exclusivamente por la geometría, que se expresa en cm³/rev. y caracteriza directamente el tamaño de una máquina hidráulica.

Fundamentos del volumen de desplazamiento geométrico

El volumen de desplazamiento geométrico es uno de los parámetros de diseño fundamentales en hidráulica. Determina la cantidad de líquido que desplaza una bomba por cada revolución de su eje de accionamiento o la cantidad que aspira un motor por cada revolución. Dado que el valor se deriva exclusivamente de las dimensiones constructivas de las cámaras de desplazamiento, es independiente de las condiciones de funcionamiento, como la presión, la temperatura o la velocidad de giro. Los fabricantes indican el volumen de desplazamiento geométrico en sus fichas técnicas, ya que se trata de una magnitud estandarizada y medible que permite una comparación directa entre diferentes tamaños.

Volumen de desplazamiento geométrico frente a volumen de carrera efectivo

En la práctica, el volumen de desplazamiento geométrico no es equiparable al volumen de carrera efectivo. El volumen de carrera describe el volumen realmente medido que se transporta por cada revolución en condiciones de funcionamiento definidas. Las fugas internas, la compresibilidad del líquido y las pérdidas por llenado hacen que el volumen de transporte efectivo difiera del valor teórico. El volumen de bombeo efectivo suele ser algo menor que el volumen de desplazamiento geométrico, ya que las pérdidas por fugas deben compensarse con un mayor caudal. La relación entre ambas magnitudes se establece a través del rendimiento volumétrico.

El papel del rendimiento volumétrico

El rendimiento volumétrico describe la relación entre el caudal volumétrico realmente bombeado y el caudal volumétrico teóricamente posible, que se deriva del volumen de desplazamiento geométrico y de la velocidad de giro. Indica qué porcentaje del caudal teórico proporciona realmente la máquina hidráulica. Las bombas de pistones axiales modernas alcanzan rendimientos volumétricos superiores al 95 %, mientras que las bombas de engranajes se sitúan, según el tipo de construcción y la presión de servicio, en un rango del 85 al 95 %. Un alto rendimiento volumétrico significa que la bomba funciona cerca de su volumen de desplazamiento geométrico y que solo se producen pérdidas internas mínimas.

Volumen de desplazamiento geométrico en diferentes tipos de construcción

Cada tipo de máquina de desplazamiento genera su volumen de desplazamiento geométrico de una manera específica. Las diferencias de diseño se reflejan en los rangos de valores típicos y en los campos de aplicación.

Bombas de engranajes

En las bombas de engranajes, el volumen de desplazamiento geométrico se deriva de la geometría de los engranajes, en particular del ancho, el diámetro y el número de dientes. Con cada vuelta de los engranajes, el líquido se transporta desde el lado de aspiración al lado de presión. Las bombas de engranajes son bombas de caudal constante, por lo que su volumen de desplazamiento geométrico está definido de forma fija y no puede modificarse durante el funcionamiento. Los valores típicos oscilan entre aproximadamente 1 cm³/rev para las series pequeñas y hasta 60 cm³/rev o más para los modelos de mayor tamaño. Debido a su simplicidad y robustez, las bombas de engranajes se utilizan en numerosas aplicaciones industriales y móviles.

Bombas de pistones axiales

Las bombas de pistones axiales generan su volumen de desplazamiento geométrico mediante el movimiento axial de varios pistones en los orificios de los cilindros. El número de pistones, el diámetro de los pistones y la carrera determinan el tamaño del volumen de desplazamiento. En las bombas de desplazamiento variable con disco oscilante o disco inclinado, la carrera y, por tanto, el volumen de desplazamiento geométrico se pueden ajustar de forma continua, lo que permite un caudal variable a un régimen constante. Los volúmenes de desplazamiento típicos oscilan entre 10 y 500 cm³/rev. Las bombas de pistones axiales se utilizan en aplicaciones que requieren altas presiones y una regulación precisa, como en máquinas de moldeo por inyección o prensas.

Bombas de pistones radiales

Las bombas de pistones radiales disponen sus pistones en forma de estrella alrededor de un eje excéntrico. El volumen de desplazamiento geométrico resulta del número de pistones, el diámetro de los mismos y la carrera del excéntrico. Las bombas de pistones radiales se caracterizan por presiones de servicio muy elevadas, que pueden superar los 400 bar. Su volumen de desplazamiento oscila entre unos 20 y 1000 cm³/rev. Se utilizan preferentemente en instalaciones fijas de alta presión, como en máquinas herramienta y bancos de pruebas.

Bombas de paletas

Las bombas de paletas utilizan paletas giratorias que rotan en una carcasa excéntrica, creando así cámaras que se agrandan y se reducen alternativamente. El volumen de desplazamiento geométrico depende de la anchura del rotor, la distancia del excéntrico y el número de paletas. Las bombas de paletas funcionan de forma relativamente silenciosa y proporcionan un caudal uniforme. Su volumen de desplazamiento oscila entre 1 y unos 50 cm³/rev. Son adecuadas para aplicaciones con presiones de servicio moderadas, como en la lubricación o en circuitos de refrigeración.

Bombas de caudal constante y bombas de caudal variable

El volumen de desplazamiento geométrico difiere fundamentalmente entre las bombas de caudal constante y las bombas de caudal variable. Las bombas de caudal constante tienen un volumen de desplazamiento fijo e invariable. El caudal volumétrico solo se puede regular mediante la velocidad de giro del motor de accionamiento. Las bombas de caudal variable, por el contrario, permiten ajustar el volumen de desplazamiento durante el funcionamiento. En las bombas de pistones axiales de caudal variable, esto se consigue modificando el ángulo de giro del disco inclinado; en las bombas de pistones radiales de caudal variable, ajustando la excentricidad. El ajuste puede controlarse de forma hidráulica, electrohidráulica o electrónica. Las bombas de caudal variable ofrecen la ventaja de que adaptan el caudal según las necesidades y, de este modo, ahorran energía, ya que el líquido no bombeado no tiene que ser descargado a través de válvulas de presión.

Importancia para los motores hidráulicos

En el caso de los motores hidráulicos, el volumen de desplazamiento geométrico se considera el volumen de admisión. Describe el volumen de líquido que el motor admite por cada revolución para realizar trabajo mecánico. Un mayor volumen de aspiración genera un par más elevado a la misma presión, mientras que un volumen de aspiración menor permite una velocidad de giro más alta con el mismo caudal. Los motores de capacidad variable adaptan su volumen de aspiración al estado de carga, combinando así pares elevados en el arranque con velocidades de giro más altas en el rango de carga parcial. Esta flexibilidad los hace indispensables en aplicaciones como cabrestantes, accionamientos de cabrestantes de desplazamiento y mezcladoras.

Influencia en el diseño y la eficiencia del sistema

El volumen de desplazamiento geométrico es un parámetro fundamental en el diseño de sistemas hidráulicos. Influye directamente en el caudal teórico, que resulta del producto del volumen de desplazamiento y la velocidad de giro. Al mismo tiempo, determina el par que una máquina hidráulica puede suministrar o absorber a una presión dada. Por ello, los diseñadores eligen el volumen de desplazamiento de tal manera que se alcance la potencia requerida a una velocidad económica y a una presión de servicio admisible.

Eficiencia energética y mecanismos de pérdida

La desviación entre el volumen de desplazamiento geométrico y el caudal real se debe a diversos mecanismos de pérdida. Las fugas internas entre el lado de presión y el de aspiración, denominadas pérdidas por holgura, reducen el caudal efectivo. Los efectos de compresibilidad del fluido hidráulico desempeñan un papel importante, especialmente a altas presiones de servicio. Además, el llenado incompleto de las cámaras de desplazamiento a altas velocidades de giro puede provocar pérdidas por llenado. El diseño cuidadoso de las dimensiones de las holguras, la selección de juntas adecuadas y el cumplimiento de las condiciones de funcionamiento especificadas por el fabricante minimizan estas pérdidas y mantienen el rendimiento volumétrico a un alto nivel.

Normalización y denominación

La normalización del volumen de desplazamiento geométrico se realiza en el marco de diversas normas ISO. La norma ISO 3662 regula los métodos de ensayo para bombas hidráulicas y define las condiciones marco en las que se mide el volumen de desplazamiento. La norma ISO 4391 establece definiciones y símbolos gráficos para bombas y motores hidrostáticos, incluida la notación del volumen de desplazamiento geométrico. En las fichas técnicas y catálogos de los fabricantes, el volumen de desplazamiento geométrico se suele indicar con el símbolo Vg y se expresa en cm³/rev. Esta denominación uniforme facilita la comparación de máquinas de diferentes fabricantes y tipos de construcción.

Aspectos prácticos en la selección

A la hora de seleccionar una bomba hidráulica o un motor hidráulico, la decisión sobre un volumen de desplazamiento geométrico concreto depende de varios factores. El caudal necesario, el espacio de instalación disponible, la velocidad admisible y la presión de servicio máxima determinan el tamaño de la máquina. En la práctica, los diseñadores suelen trabajar con series que ofrecen el mismo formato de carcasa con diferentes volúmenes de desplazamiento. De este modo, dentro de una misma serie, el volumen de desplazamiento se puede adaptar a la aplicación concreta sin modificar las dimensiones de conexión ni la situación de montaje. HK Hydraulik ofrece una amplia gama de bombas y motores con diferentes volúmenes de desplazamiento, adecuados para una gran variedad de requisitos industriales.

Resumen

El volumen de desplazamiento geométrico es una magnitud fundamental de la hidráulica que caracteriza el tamaño y el rendimiento de una máquina de desplazamiento. Al ser una magnitud determinada exclusivamente por el diseño, constituye la base para el cálculo del caudal, el par y la potencia. La diferencia con respecto al volumen de carrera efectivo viene descrita por el rendimiento volumétrico, que cuantifica las pérdidas internas de una máquina hidráulica. La elección del volumen de desplazamiento geométrico adecuado es decisiva para la eficiencia energética y el funcionamiento de todo el sistema hidráulico.